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核磁共振測井儀儲能電路設計與應用的論文
１引言
隨著(zhù)能源需求的不斷增長(cháng)，石油勘探技術(shù)面臨新的挑戰。核磁共振測井作為最新的測井方法，在地層物性測量方面比常規測井更具優(yōu)勢。從１９４６年發(fā)現核磁共振現象到現在，國外核磁共振測井技術(shù)不斷發(fā)展，核磁共振測井儀種類(lèi)繁多。其中，Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的ＭＲＩＬ－Ｐｒｉｍｅ核磁共振測井儀、Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司的ＣＭＲ－Ｐｌｕｓ及ＭＲＳｃａｎｎｅｒ核磁共振測井儀已在全球范圍內推廣使用［２－３］。但是只能獲得核磁共振測井服務(wù)，卻無(wú)法自主使用核磁測井儀，這使得我國一些地區（比如南海）石油開(kāi)采成為難題。在２０１２年，我國中海油田服務(wù)股份有限公司（ＣｈｉｎａＯｉｌｆｉｅｌｄＳｅｒｖｉｃｅｓＬｉｍｉｔｅｄ，ＣＯＳＬ）成功研制出國內首支多頻核磁共振測井儀ＥＭ－ＲＴ（ｅｌｉｓｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｔｏｏｌ）。到目前為止，該儀器已在渤海、南海、山西和伊拉克等油田得到推廣使用，并取得了較好的應用效果。為有效激發(fā)地層流體，核磁共振測井儀在工作過(guò)程中連續向地層發(fā)射滿(mǎn)足一定功率條件的高壓脈沖序列，其寬度從３３～９０μｓ不等，脈沖時(shí)間間隔最短可達０．２ｍｓ。受限于地面系統瞬時(shí)功率輸出能力和電纜電能傳輸能力，為了保證自旋回波質(zhì)量，每個(gè)脈沖發(fā)射功率不能低于某一數值，因此核磁共振測井儀必須配備儲能短節。儲能短節的核心是儲能電路對儲能電容的充放電控制。該文以ＥＭＲＴ為例，根據脈沖序列扳轉角對能量的要求，說(shuō)明儲能短節是核磁共振測井儀的必要組成部分，同時(shí)設計一種儲能電路，提出儲能電容容值計算方法。從現場(chǎng)測井曲線(xiàn)可看出，該設計方案能滿(mǎn)足儀器正常工作要求。
２儲能電路對扳轉角的影響
核磁共振測井作業(yè)期間，儀器通過(guò)向底層發(fā)射９０°或１８０°脈沖產(chǎn)生交變磁場(chǎng)Ｂ１，達到氫核總磁矩扳轉和重聚目的，扳轉角θ由式（１）確定：θ＝γＢ１（１）式中：γ為氫核旋磁比，Ｂ１為交變磁場(chǎng)強度，為磁場(chǎng)作用時(shí)間。對于９０°扳轉脈沖，θ＝９０°為完全扳轉，θ＞９０°為過(guò)扳轉，θ＜９０°為欠扳轉。同理，對于１８０°脈沖，有同樣的定義。為準確獲取地層信息，在誤差允許范圍內，要求扳轉角必須達到９０°或１８０°，這是保證回波質(zhì)量的必要條件［１１］。從式（１）中可看出，θ與磁場(chǎng)強度Ｂ１、磁場(chǎng)作用時(shí)間均成正比關(guān)系，其中Ｂ１與儲能電路有直接關(guān)系。通常，電流產(chǎn)生的感應磁場(chǎng)強度與電流大小成正比。針對ＥＭＲＴ，當工作頻率確定時(shí)，其天線(xiàn)負載等效阻抗是一定值，因此，Ｂ１與脈沖電壓幅值成正比關(guān)系。因此有關(guān)系式Ｂ１∝Ｉ∝Ｕ，故磁場(chǎng)強度Ｂ１的大小與天線(xiàn)端電壓成正比關(guān)系。如引言所述，測井電纜的阻抗對ＥＭＲＴ測井儀脈沖發(fā)射有至關(guān)重要的影響。如圖２所示，一個(gè)發(fā)射脈沖由發(fā)射初期和發(fā)射穩定期組成。在脈沖發(fā)射初期，天線(xiàn)電壓需要在很短時(shí)間內從０上升到直流高壓值，若不采用儲能電路，電纜等效電阻與天線(xiàn)電容會(huì )構成具有較大時(shí)間常數的阻容網(wǎng)絡(luò )，導致脈沖在發(fā)射初期就無(wú)法快速達到直流高壓值；同樣，脈沖穩定發(fā)射期間可產(chǎn)生數安培的瞬時(shí)電流，該電流通過(guò)電纜阻抗形成較大壓降。該壓降直接導致天線(xiàn)兩端電壓幅度降低，發(fā)射功率不足。另外，電纜等效電感在高壓通斷變化過(guò)程中產(chǎn)生數倍過(guò)電壓，損壞發(fā)射電路。在現場(chǎng)應用中，磁場(chǎng)作用時(shí)間預先確定，根據式（１）知，在特定工作頻率下，扳轉角θ完全由磁場(chǎng)強度Ｂ１決定，在沒(méi)有儲能的情況下，欠扳轉情況嚴重。
３儲能電路設計
儲能電路原理結構，ＵＨＶ為儲能電路輸入端，ＨＶ＋、ＨＶ－通過(guò)測井電纜連接地面６００Ｖ直流高壓電源。ＵＣＡＰ為儲能電路輸出端，輸出電壓范圍為６００Ｖ±５％。
４儲能電容容值計算
為準確估算儲能短節儲能電容總容值，脈沖序列發(fā)射期間，假設該過(guò)程儲能電容電荷量的變化量為ΔＱ，此過(guò)程電荷量的變化將導致電容兩端電壓變化量為ΔＵ，兩者關(guān)系用式（５）：ΔＱ＝ΔＵＣＥ（５）式中：ＣＥ是儲能短節等效電容。脈沖序列發(fā)射前后，儲能電容最大允許電壓差值ΔＵ約為１５０Ｖ，因此若能估算一次脈沖序列發(fā)射過(guò)程儲能電容提供的電荷量，就能估算出ＣＥ的大小。儀器發(fā)射一次脈沖序列時(shí)，一方面從儲能電容獲得能量；另一方面從地面高壓電源獲得能量，由于發(fā)射的電荷量大于從地面獲得的電荷量，使得儲能電容電壓在發(fā)射前后存在電壓差值，與其對應的電荷量，即儲能電容損失的電荷量為：ΔＱ＝Ｑｔ－Ｑｃ（６）式中：Ｑｔ為一個(gè)脈沖序列發(fā)射消耗的電荷量；Ｑｃ為在此期間從直流高壓獲得的電荷量。根據式（５）和（６）可以得出：ＣＥ＝ΔＱΔＵ＝Ｑｔ－ＱｃΔＵ（７）根據實(shí)際脈沖序列參數，上式又可以寫(xiě)為：ＣＥ＝ΔＱΔＵ＝Ｉｍａｘｔ１８０ＮＥ－ＩｐＴＥＮＥΔＵ（８）式中：Ｉｍａｘ為發(fā)射１８０°脈沖時(shí)天線(xiàn)上最大電流值；ｔ１８０為１８０°脈沖作用時(shí)間；ＮＥ為１８０°脈沖個(gè)數；Ｉｐ為發(fā)射過(guò)程中地面電源的平均電流；ＴＥ為回波間隔。通過(guò)式（８）即可估算儲能電容容值大小。
５實(shí)驗室測試結果
為使用儲能電路時(shí)天線(xiàn)端電壓波形；為未用儲能電路時(shí)天線(xiàn)端電壓波形。當天線(xiàn)端電壓自由振蕩到波峰或波谷時(shí)，直流高壓通過(guò)驅動(dòng)電路施加在天線(xiàn)兩端，中可以看出，帶有儲能電路時(shí)，波峰波谷平滑，波形很好，峰－峰值接近直流高壓，滿(mǎn)足發(fā)射要求；波峰波谷畸變，且低于直流高壓，不滿(mǎn)足發(fā)射要求。
６現場(chǎng)應用效果
在ＮＭＲ測井質(zhì)量控制參數中，用Ａψ表征９０°脈沖發(fā)射質(zhì)量，用參數ＢＲａｔｉｏ表征脈沖序列發(fā)射質(zhì)量。后者定義為脈沖序列最后一個(gè)１８０°脈沖磁場(chǎng)能量與第一個(gè)１８０°脈沖磁場(chǎng)能量的比值。一般要求ＢＲａｔｉｏ大于０．９５，最低為０．９。
７結論
根據脈沖扳轉角、射頻場(chǎng)及發(fā)射電壓幅值間的關(guān)系，說(shuō)明儲能電路是核磁共振測井儀必不可少的組成部分，并設計一種可應用于井下高溫環(huán)境的儲能電路，提供儲能電容容值計算方法。從ＥＭＲＴ的現場(chǎng)測井質(zhì)量控制曲線(xiàn)可以看出，該電路有效實(shí)現高質(zhì)量脈沖序列發(fā)射。
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